多维地震作用下高层结构振动混合控制研究

针对水平和竖向地震作用下高层建筑结构的混合振动控制问题,研究调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD)体系、隔震结构体系、隔震与TMD混合控制体系3种策略对水平与竖向地震共同作用下结构振动响应的减振效果。选取典型的20层钢结构Benchmark结构模型,利用ANSYS软件建立带有TMD和隔震层结构的有限元模型,比较了结构在水平地震单独作用下与水平和竖向地震共同作用下的振动响应。结果表明,水平方向上的振动响应无明显变化;竖直方向上,有控状态下的减振指标相对于无控状态出现了增大现象,尤其是层间隔震结构增大较为明显。研究成果可为高烈度区高层隔震结构设计提供参考。     

带支撑Maxwell阻尼器耗能隔震结构的随机风振响应分析

对设置带支撑Maxwell阻尼器的高层耗能隔震结构的随机风振响应进行了研究。建立结构运动方程,基于传递函数法及随机振动理论,获得结构基于Davenport谱激励下位移和阻尼器受力响应方差,并将其分解为系列标准振子的线性组合,得到结构随机风振响应的解析表达式、阻尼器受力的随机响应、等效风荷载取值,从而建立了带支撑Maxwell阻尼器高层耗能隔震结构的随机风振响应解析分析方法。算例分析表明:支撑刚度对阻尼器的减震效果有着较大的影响,以上部结构风振位移响应为例,阻尼器的支撑刚度为1倍隔震层刚度比支撑刚度为0.001倍隔震层刚度的位移响应减小了30%左右。所获得的解析解对耗能隔震结构的设计和阻尼器的参数优化设计具有重要的意义。     

地震作用下高层结构分布式多重调谐质量阻尼器振动控制研究

针对地震作用下高层结构振动调谐质量阻尼器(TMD)被动控制问题,基于沿结构高度分布多个阻尼器的策略,研究分布式多重调谐质量阻尼器(DMTMD)控制策略并应用于高层结构振动控制中。采用ANSYS软件对20层钢框架结构Benchmark模型建立有限元模型并进行模态分析,依据振型幅值确定多个阻尼器的楼层位置分布。将DMTMD控制策略的有效性和鲁棒性分别与仅在结构顶层安置阻尼器的单个调谐质量阻尼器(STMD)和多重调谐质量阻尼器(MTMD)控制策略进行比对。结果表明:DMTMD能有效地抑制结构地震反应,其控制效果与MTMD相近,且明显优于STMD。在考虑模型结构刚度不确定性的鲁棒性分析中,DMTMD的控制效果仍明显优于STMD和MTMD两种控制方案。     

海洋平台离散模型振动控制研究

对近海平台离散结构模型在特征波浪载荷下,以平台上甲板最小位移为目标,比较了单个及多个调谐阻尼器（TMD）对系统各阶模态的抑振效果,结果表明,安装在第一模态质量上的调谐阻尼器对系统各阶模态振动的抑制作用最大;获得了海洋平台离散模型振动控制阻尼器的设计优化参数,为工程阻尼器设计提供了依据。     

土—结构相互作用对高柔结构风振响应TMD控制的影响

文中研究了土－结构相互作用对高层,高耸结构风振响应TMD控制的影响,讨论了结构不同基础类型和不同地在土介质对TMD风振控制效率的影响,数值结构表明,土－结构相互作用对风振响应TMD控制的影响不同于对地震响应TMD控制的影响。     

质量阻尼器的发展

广泛评述了调谐质量阻尼器(TMD)、多重调谐质量阻尼器(MTMD)、主动质量阻尼器(AMD)、半主动 TMD(SATMD)、主动调谐/主被动调谐/混合质量阻尼器(ATMD/APTMD/HMD)的研究现状.TMD, MTMD, AMD, SATMD, ATMD/APTMD/HMD能够有效地减小结构的风振与地震反应.指出强震下结构设置TMD, MTMD, AMD, SATMD, ATMD/APTMD/HMD的主要目的是限制结构屈服的进一步发展.因此,基于非线性结构模型的TMD, MTMD, AMD, SATMD, ATMD/APTMD/HMD研究具有重要意义.指出了TMD, MTMD, AMD, SATMD, ATMD/APTMD/HMD 有待于进一步研究的若干问题.提出了结构主动多重调谐质量阻尼器(AMTMD)和多重主被动调谐质量阻尼器(MAPTMD)的新控制策略.介绍了AMTMD和MAPTMD的研究进展并指出了进一步研究的发展方向.      

输电塔线体系风振响应频域分析的一种简化方法

为了研究脉动风引起的结构振动问题,以两塔三跨不等高输电塔线体系为工程背景,将瞬时风速与瞬时风压的脉动部分之间的关系简化为线性,采用 Davenport 谱得到了脉动风荷载的功率谱密度函数;通过振动方程得到了稳态频率响应函数;根据系统的输入输出关系求出了在物理坐标下输电塔线体系的位移响应谱密度矩阵,从而推导了输电塔线体系风振响应频域分析的简化方法;利用MATLAB编制频域分析程序,对塔线体系进行计算,并将此结果与采用ADINA计算所得结果进行了对比。结果表明：两者的跨中和塔中位移功率谱密度曲线分别在点（0.05,2000）和点（0.05,9×10-6）附近有个相同的峰值,两种方法的计算结果基本吻合,验证了本文推导的输电塔线体系风振响应频域分析的简化方法的正确性;此种方法在获得准确风振响应的同时可以提高求解的计算效率。     

滞回摩擦型调谐惯质阻尼器结构隔震研究

本文研究一种新型非线性阻尼器——滞回摩擦型调谐惯质阻尼器(HFTID)在工程结构抗震控制中的应用。HFTID由调谐惯质阻尼器(TID)和滞回弹簧摩擦元件并联组成。首先通过谐波平衡方法推导了HFTID单自由度系统力与位移的传递率。然后对HFTID进行了最佳调谐参数优化,得到HFTID最优参数的近似表达式,比较了HFTID和TID振动控制系统的减振效果。结果表明,HFTID相比TID可以进一步降低振动控制系统的传递率。最后,以一栋多层隔震结构为例,将HFTID与TID的隔震效果进行了对比,结果表明,HFTID相比TID在降低地震响应峰值和均方根值方面具有更大优势,验证了HFTID在降低地震响应方面的有效性和实用性。HFTID在建筑和桥梁结构抗震、车辆悬挂系统和其他机械隔震问题上具有潜在的应用前景。     

带TLD结构基于Davenport谱随机风振响应分析和风荷载取值的复模态法

对带TLD控制系统的高层建筑随机风振响应和等效静态设计风载取值问题进行了系统研究。针对主体结构用第一振型展开所得方程为非经典阻尼和非对称结构运动方程,用复模态理论解耦,并利用随机振动理论获得结构风振响应解析式,建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,继而利用等效单自由度体系随机风振响应的解析解,获得了带TLD结构基于现行规范Davenport谱随机风振响应和等效静态设计风载的解析解,并给出算例,从而建立了非经典阻尼非对称被动控制结构基于Davenport谱随机风振响应和风载取值的一般解析方法。由于获得解析解,故本文方法可用于带TMD、TLD等结构基于动力可靠度约束的抗风优化设计。此外,由于建立了将结构分解为一系列等效单自由度体系的一般方法,利用等效单自由度体系与抗震反应谱的关系,本文方法还可用于非经典阻尼非对称被动控制结构基于抗震反应谱的地震作用取值。     

利用浅水水箱作为阻尼器的大连国贸大厦减振控制研究

针对一实际工程结构—大连国贸大厦,研究了风荷载作用下调液阻尼器的减振控制作用。首先建立了该结构的简化计算模型,利用Davenport谱给出了模拟风荷载;在大厦所处的位置进行多次测量,得到实际风速样本,选取其中风速较大、过程平稳的样本,对实测样本与模拟样本的频谱进行比较,验证了模拟风荷载的合理性。文中在大厦顶层设置浅水水箱,将其设计成可减少结构位移及加速度反应的控制装置TLD,以提高大厦在风荷载作用下的舒适度,并给出了高层建筑水箱减振方案实施的设计建议。数值计算结果表明,该大厦顶部设置TLD减振装置后,能有效地控制结构在风荷载作用下的反应。依据本文的TLD设计步骤,可供类似高层建筑进行TLD减小风振控制分析和设计时参考。     

高层建筑TMD风振控制优化设计

本文探讨了高层建筑TMD风振控制优化设计方法,研究了高层建筑TMD风振控制最优参数取值问题,给出了高层建筑TMD风振控制设计步骤,最后给出了算例说明及其应用。     

随机激励下考虑SSI效应的TMD-结构控制参数优化设计

TMD是高层建筑结构抗震和抗风等减震控制的主要方法,结构体系频率和TMD参数的适配性对控制效果起决定性作用。现有规范中忽略土对上部结的构的影响,使得TMD-结构振动控制与实际工程情况存在脱节。本文以结构的最大层间位移为控制指标,将优化算法与概率密度理论方法结合,以十层混凝土框架TMD-结构参数优化为例,研究了SSI对TMD结构控制效果的影响,并实现了随机激励下TMD建筑结构参数的优化设计。为TMD建筑结构最优化设计提供了新的思路和方法。     

人行荷载下梁式结构振动分析的DQ-IQ混合法

为了评估人行荷载作用下梁式结构的振动舒适度，利用微分求积-积分求积，即DQ-IQ混合法求解移动荷载作用下梁的振动响应。人行荷载作用下梁式结构的振动控制方程是含Dirac函数的偏微分方程，首先利用IQ法离散与时间相关的Dirac函数，再利用DQ法把控制方程转化为二阶常系数微分方程，最后利用Newmark算法求解微分方程。以某钢结构连廊为例，利用DQ法计算结构自振频率并与解析解进行对比，结果验证了节点选取和边界条件施加的合理性，再利用DQ-IQ混合法和振型叠加法分别计算了不同行走步频下连廊的响应，计算结果表明，DQ-IQ混合法具有较高的可靠性和精确性。DQ-IQ混合法也可以推广到诸如车辆荷载作用下路面或桥梁的动力响应等其他移动荷载下结构的振动分析。     

Improved suboptimal Bang-Bang control of aseismic buildings with variable friction dampers

One of the challenges in civil engineering is to find an innovative means of suppressing the structural vibration due to earthquake and wind loadings. This paper presents an approach for effectively suppressing vibrations of a structure with variable friction damper using a new Bang-Bang control input. A continuous function of story velocities is used to represent the improved control to reduce chatter, high frequency switching and avoid instability. With a genetic algorithm, the amplitudes of control and preloading friction forces individually prescribed in the controller and damper are optimized for enhancing the seismic performance of buildings. The control strategy for the friction damper is proposed to for three story building with one variable friction damper installed at the first story for seismic reduction. The numerical results indicate that a better reduction of peak response accelerations of floors can be achieved than those of the unmodified controller, and the adaptability of the control system is also improved greatly by comparison with the reduction ratios of the structural response energy excited by different earthquake intensities.     

高速铁路连续梁桥的共振响应与振动控制研究

以液体粘滞阻尼器为振动控制外部装置，主桥采用欧拉伯努利梁，通过中国和谐号动车组CRH380AL、日本新干线Shinkansen700和欧洲高速列车HSLMA8三种不同类型的高速列车对比，模拟分析了高速列车作用下桥梁结构共振响应的影响因素，以及粘滞阻尼器的阻尼系数与安装位置对桥梁结构振动响应的减振效果。研究结果表明，（1）合理有效地布置列车荷载轴距，可使桥梁结构发生基频共振的列车时速在运营时速之外，避免了桥梁结构发生较大振动峰值响应，即桥梁结构的基频共振；（2）随着粘滞阻尼器阻尼系数的增大，桥梁的加速度峰值在列车不同时速下均在减少，对桥梁振动有着不同程度的减振效果；（3）通过合理安置液体粘滞阻尼器，可有效降低高速列车作用下桥梁结构的共振响应；（4）随着粘滞阻尼器与主梁的连接点位置逐渐远离支座，粘滞阻尼器的减振效果逐渐明显；（5）随着粘滞阻尼器与桥台的连接点位置逐渐靠近支座，粘滞阻尼器的减振效果略有提升，但不明显。     

建筑结构基于巴斯金风速谱的系列风振响应的简明封闭解

针对巴斯金风速谱激励下的建筑结构顺风向振动响应表达式复杂的问题,提出了一种简明封闭解法.巴斯金随机谱广泛应用于描述脉动风、随机地震动和路面不平顺等各种随机激励,本文基于留数定理给出巴斯金风速功率谱的二次正交式.综合运用复模态法和虚拟激励法获得了建筑结构系列响应(位移、层间位移及其变化率)功率谱的统一形式的二次正交式,并根据谱矩的定义获得了建筑结构系列响应的方差和谱矩及绝对加速度方差的简明封闭解.运用本文方法对一8层建筑结构进行分析,并与传统虚拟激励法进行对比研究,表明本文所得封闭解正确,并可用于验证虚拟激励法在谱矩和方差分析时的精度和效率.由于本文方法含有复模态法,故可用于各类线性结构基于巴斯金谱的随机响应分析和基于动力可靠度及舒适度的动力优化分析.     

地震作用下高层建筑结构的分散神经网络振动控制研究

针对地震作用下高层建筑振动神经网络控制问题,将神经网络理论与分散控制理论相结合,提出分散神经网络振动控制方案,并应用于高层结构地震反应振动控制中。利用多层前馈神经网络建立结构模型,预测结构的振动响应。基于NARMA-L2的神经自校正控制系统设计BP神经网络控制器,研究分散神经网络振动控制效果,并与神经网络集中控制进行比较。对某20层Benchmark结构模型进行数值模拟分析,结果表明,本文提出的分散神经网络振动控制方法简化了神经网络的结构,可有效控制结构振动和消除时滞;同时,相对于集中控制的单一失效,本文方法的可靠性更强且可以保证振动控制系统的实时响应。